低溫三元c4法的製作方法

2023-05-01 07:37:06 1

專利名稱：低溫三元c4法的製作方法
技術領域：
本發明涉及集成電路晶片和晶片載體的倒裝片焊接。更具體地說，本發明涉及在集成電路晶片和晶片載體上兩種不同熔點溫度合成物的使用，其中一種合成物的熔化的另一合成物的增溶溶液能形成更低熔點焊接頭。
二十多年來可控緊裹晶片連接(C4)或倒裝片技術已成功地用於將矽晶片上的大I/O數量和面陣列焊點和例如礬土載體那樣的基座陶瓷晶片載體互相連接。典型的焊點，例如，95Pb/5Sn的鉛/錫合金或50Pb/50In的鉛銦合金，可用於將晶片固定到陶瓷晶片載體上，以供使用和測試。例如，可參閱轉讓給Miller和本申請的受讓人的美國專利號3，401，126和3，429，040，以便進一步討論用於將半導體晶片面向下焊到載體上的可控緊裹晶片連接(C4)技術。典型情況是，在半導體裝置的連接點上形成金屬熔劑的可壓延焊片，同時在晶片載體上的導體上形成可連接焊點。集成電路晶片和晶片載體互相壓緊並用輻射加熱、加熱的氮氣、或加熱的惰性氣體進行加熱，使焊點再熔，形成焊柱。對於Pb/Sn焊劑講，大約在370攝氏度下加熱大約3分鐘，而對於Pb/In焊劑則大約在265攝氏度下加熱大約3分鐘。
最近以來，又開發出了有機物襯底。這些有機物襯底要求比陶瓷晶片載體更低的溫度。這裡對陶瓷晶片載體所用溫度將在有機物襯底內產生巨大熱應力或甚至導致樹脂變質。因此需要一種焊劑合成物和技術。避免使用Pb/Sn焊劑合金和陶瓷晶片載體所用溫度。
本發明的主要目的是提供一種焊接方法，避免Pb/Sn焊劑合金和陶瓷晶片載體所用高溫。
本發明的另一目的是提供一種焊劑合金合成物，在低於Pb/Sn焊劑合金和陶瓷晶片載體所用高溫的情況下形成焊柱。
本發明的方法能達到這些目的。根據這裡所公開的本發明，提供了將集成電路晶片焊到晶片載體的倒裝片焊接法。根據本發明使用兩種焊接合成物。一種是低熔點合成物，另一種是較高熔點合成物。該較高熔點合成物的成分可溶解在較低熔點合成物中，從而形成一種熔點溫度更低的合成物。一種合成物用於集成電路晶片的焊片上，而另一種合成物用於晶片載體的焊片上。將集成電路晶片和晶片載體壓緊，並將晶片和載體的溫度提高到較低熔點焊劑合成物的熔點。這促使較高熔點合成物可以增溶溶解並形成一種第三種熔點溫度更低的焊劑合成物。這就能將集成電路晶片焊到襯底上。
在一個實施例中，較低熔點焊劑合成物是一種Bi/Sn二元合金，較高熔點焊劑合成物是一種Pb/Sn二元合金，而所形成的第三種焊劑合成物是一種Bi/Pb/Sn三元合金。本實施例的方法包括的步驟中第一步是將一種Pb/Sn二元合金澱積在晶片和觸點上，同時將Bi和Sn共積在晶片載體上。其次是將晶片和晶片載體加熱，使Bi和Sn熔化並形成一種低熔點溫度Bi/Sn合金，並使較高熔點Pb/Sn合金溶解於中。這樣就形成了一種更低熔點的Bi/Pb/Sn三元合金的焊接頭。
該低熔點Bi/Pb/Sn三元合金包括至少50%重量的Bi、20%至32%重量的Pb、和其餘重量的Sn。一般說來，該三元合金包括至少15.5%重量的Sn。
鉍/錫二元合金可直接澱積在晶片載體上。另一種方案是將一層或多夾層Bi與一層或多夾層Sn澱積在晶片載體上。
其他可用的焊劑系統是可形成Sn/Pb/Sb三元合金的Sn/Pb-Sn/Sb，可形成Sn/Pb/Ag三元合金的Sn/Pb-Sn/Ag，和可形成Sn/Pb/In三元合金的Sn/Pb-Sn/In。
根據本發明，將一種低熔點溫度第一焊劑合成物的成分澱積到集成電路晶片-晶片載體對中的一方上面，而在晶片一晶片載體對的另一方的相對面上提供一種較高熔點溫度第二焊劑合成物的成分，從而實現C4連接。將晶片放到載體上並將兩者一起加熱，使低熔點第一合成物熔化並形成一種低熔點溫度第一焊劑合金。熔化的第一焊劑合金將較高熔點的成分加以溶解，形成一種很低熔點溫度第三合成物。該第三合成物將集成電路晶片焊到襯底上。這就提供了一種方法，其中在最初焊劑再熔後，整個焊柱的熔點要比現在所用原先的較高熔點焊劑合成物低得多。因此根據本發明一種低熔點二元合金，如Bi/Sn，能將如Pb/Sn那樣的較高熔點合金加以溶解，以形成諸如Bi/Pb/Sn那樣的較低熔點三元合金。
根據本發明的最佳實施例，將一種Pb/Sn二元合金澱積在一塊集成電路晶片上，以及或者將一種Bi/Sn二元合金澱積在一塊晶片載體上，或者將夾層的Bi/Sn共積在一塊晶片載體上，從而實現C4連接。將晶片放到載體上並加熱，使Bi/Sn熔化並形成一種低熔點溫度合金。這在大約200攝氏度的溫度下至少加熱大約一分鐘。熔化的Bi/Sn焊劑將較高熔點Pb/Sn加以溶解，形成一種很低熔點Bi/Pb/Sn三元合金。
該低熔點Bi/Pb/Sn三元合金包括至少50%重量的Bi，20%至32%重量的Pb，和其餘重量的Sn。一般說來，該三元合金包括至少大約15.5%重量的Sn。
鉍/錫二元合金可直接澱積在晶片載體上。最好是將一層或多夾層的Bi及一層或多夾層的Sn澱積在晶片載體上。這可簡化晶片載體的製造。澱積損傷可以是濺射、電鍍、蒸發或做成焊劑膏。此外，通過精確控制分層澱積時第一焊劑合金澱積的Bi/Sn比例，可以控制最終焊柱的再熔溫度。每層的厚度一般是從大約1密耳至4密耳。
其他可用的焊劑系統是用於形成一種Sn/Pb/Sb三元合金的Sn/Pb-Sn/Sb，用於形成一種Sn/Pb/Ag三元合金的Sn/Pb-Sn/Ag，和用於形成一種Sn/Pb/In三元合金的Sn/Pb-Sn/In。
可通過以下例子來了解本發明。將Pb/Sn焊劑球澱積到集成電路晶片觸點上，同時將Sn和Bi層澱積到有機物晶片載體上。該集成電路晶片和晶片載體在焊劑澱積處壓緊，並加熱到使Sn/Bi澱積物再熔和使Pb/Sn焊劑球增溶溶解，從而形成Pb/Sn/Bi焊柱。
每個例子中97%重量的Pb-3%重量的Sn焊劑球澱積到集成電路晶片的觸點上，同時Sn和Bi層電解澱積到一塊有機物晶片載體上。
Sn層從氟硼亞錫溶液中進行電解澱積。
Bi層從過氯酸鉍溶液中進行電解澱積。
澱積後的Bi和Sn層具有下面表I-Sn/Bi澱積參數一中所列厚度和重量比例。

接著集成電路晶片和襯底即被壓緊並且用紅外線或對流或兩者並且在氮氣中將晶片和襯底加熱，在大約230攝氏度的熱流下加熱大約4分鐘。其結果是Sn/Bi澱積層再熔和Pb/Sn焊劑球增溶溶解，因而形成焊柱。
最終的焊柱的合成物和熔點示於下面表2-三元焊劑合成物和熔點溫度。

根據本發明的方法，提供了一種焊接方法，可避免在將Pb/Sn焊劑合金和陶瓷晶片載體焊接中所用的高溫。
此外，根據本發明提供了一種焊劑合金合成物，可在此Pb/Sn焊劑合金和陶瓷晶片載體焊接時的高溫更低的溫度下形成一種焊柱。
雖然本發明是結合一定的實施例和例子進行描述的，但這裡並不想限制本發明的範圍，而只由後附權利要求書來說明。
權利要求
1.一種用於將集成電路晶片焊到晶片載體上的倒裝片法，包括以下步驟將一種第一、高熔點溫度合成物澱積到晶片和晶片載體的一方的觸點上，同時將一種第二、較低熔點溫度合成物澱積到晶片和晶片載體的另一方的對應觸點上；將晶片和晶片載體加熱，使較低熔點合成物熔化並形成一種第三、較低熔點溫度合成物，然後將較高熔點溫度合成物溶解從而形成一種低熔點合金的焊接頭。
2.一種用於將集成電路晶片焊到晶片載體上的倒裝片法，包括以下步驟將一種Pb/Sn二元合金澱積到晶片觸點上，及將Bi和Sn共積在晶片載體上;將晶片和晶片載體加熱，使Bi和Sn熔化並形成一種低熔點溫度Bi/Sn合金，以及溶解該較高熔點Pb/Sn合金，從而形成低熔點Bi/Pb/Sn三元合金的焊接頭。
3.權利要求2的方法，其特徵在於該低熔點Bi/Pb/Sn三元合金包括至少50%的Bi，20%至32%的Pb，和其餘的Sn。
4.權利要求3的方法，其特徵在於該低熔點Bi/Pb/Sn三元合金包括50%至52.5%重量的Bi，20%至32%重量的Pb，和其餘重量的Sn，但Sn重量至少大約為15.5%。
5.權利要求2的方法，其特徵在於包括將一種Bi/Sn二元合金澱積在晶片載體上的步驟。
6.權利要求2的方法，其特徵在於包括將一層Bi和一層Sn澱積在晶片載體上的步驟。
全文摘要
用於將集成電路晶片焊到晶片載體上的倒裝片法。一種例如Pb/Sn二元合金的高熔點溫度合成物澱積在例如晶片的觸點上，同時一種例如Bi和Sn的低熔點合成物的成分共積在例如晶片載體的觸點上。接著將晶片和晶片載體加熱。這使例如Bi和Sn的較低熔點溫度合成物熔化並形成例如一種Bi/Sn合金的低熔點溫度合金。該低熔點合金將例如Pb/Sn的較高熔點合成物溶解。這就形成了例如Bi/Pb/Sn三元合金的低熔點第三種合成物焊接頭。
文檔編號H01L21/60GK1111822SQ95103588
公開日1995年11月15日 申請日期1995年3月27日 優先權日1994年4月19日
發明者託馬斯·派屈克·高爾, 阿託尼·保爾·英格拉漢姆 申請人:國際商業機器公司